融冰裝置需提供較大的電流以迅速加熱覆冰線路，通常采用管形母線作為載流導(dǎo)體。管形母線是空芯導(dǎo)體，趨膚效應(yīng)系數(shù)小，載流量大且有利于提高電暈起始電壓，被廣泛應(yīng)用于高電壓大電流工況中。管母載流量較大時(shí)，其支撐金具中的渦流損耗不容忽視，較大的渦流損耗將引起金具發(fā)熱，造成能量損失，且長期發(fā)熱會影響金具中絕緣件的性能，可能引發(fā)絕緣失效，嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。

因此，管母支撐金具的選型及合理設(shè)計(jì)對維持載流回路的穩(wěn)定及系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有極為重要的作用。對管母支撐金具的損耗及溫升進(jìn)行研究，有利于合理選擇金具的材料、結(jié)構(gòu)及布置方式，有效減少線路損耗，提高載流回路的運(yùn)行水平。

國內(nèi)外關(guān)于穿墻套管、導(dǎo)體觸頭等的渦流損耗問題研究較多，多集中于導(dǎo)體長度、厚度、開槽數(shù)量、加裝永磁體等對損耗的影響，部分研究指出，采用低磁導(dǎo)率的材料會造成導(dǎo)電部分磁場分布發(fā)散?，F(xiàn)有的研究成果并非適用于所有的工程實(shí)際，且現(xiàn)有研究鮮有涉及大電流管母支撐金具的損耗及溫升，目前工程中對管母支撐金具的選型缺乏相關(guān)參考及規(guī)范。

針對某換流站融冰工程升流過程中管母支撐金具溫升過高的問題，本文采用電磁-熱力學(xué)耦合仿真的方法，根據(jù)管母及支撐金具的實(shí)際布置方式搭建模型，計(jì)算管母支撐金具的損耗及溫升，并依據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析金具結(jié)構(gòu)及材料屬性對損耗的影響。參考仿真結(jié)果對原金具材料屬性及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并重新進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，并為大電流管母支撐金具的設(shè)計(jì)及選型提供參考。

1  計(jì)算模型及理論分析

1.1  渦流損耗基本原理

式（1）-（3）

1.2  熱力學(xué)分析

式（4）-（6）

本文采用有限元計(jì)算方法，首先通過渦流場進(jìn)行管母支撐金具損耗的求解，然后將其作為溫度場計(jì)算的輸入，考慮自然對流及輻射散熱對金具溫升進(jìn)行求解。

2  金具溫升試驗(yàn)

某換流站固定融冰裝置在升流試驗(yàn)過程中，電流升至約4500A時(shí)，運(yùn)行1h，現(xiàn)場紅外測溫裝置檢測到管母支撐金具溫度高達(dá)111～125℃，閥廳溫度約為19℃，金具溫升達(dá)92～106K，已遠(yuǎn)超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。現(xiàn)場試驗(yàn)溫升測試結(jié)果如圖1所示。

圖1  現(xiàn)場試驗(yàn)溫升測試結(jié)果

U形支撐金具與絕緣子法蘭上部的矩形板之間已加裝絕緣墊塊，且安裝螺栓與金具之間也做了絕緣處理，根據(jù)測溫結(jié)果可知U形支撐金具及絕緣子法蘭溫升依然較高，若長期運(yùn)行將產(chǎn)生大量的能量損耗，且會影響絕緣子的絕緣性能。

3  仿真與試驗(yàn)對比

受試驗(yàn)條件、現(xiàn)場投運(yùn)時(shí)間及成本限制，對改進(jìn)后的金具樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)。管母支撐金具溫升是由處于電磁場中產(chǎn)生的渦流損耗所引起，下面通過仿真研究影響溫升的主要因素，并依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先通過電磁場計(jì)算得到管母支撐金具的渦流損耗，然后將其作為溫度場計(jì)算的熱源輸入，最終得到金具的溫升分布。

3.1  計(jì)算模型

以某融冰工程實(shí)際應(yīng)用的管母支撐金具作為參考，實(shí)物模型如圖2所示，管母支撐金具中支撐板為U形，與絕緣子法蘭上的矩形板之間通過絕緣墊塊及絕緣螺栓連接。

圖2  實(shí)物模型

考慮仿真計(jì)算的可行性及計(jì)算效率，仿真模型中忽略螺栓、絕緣件傘裙等對損耗影響不大的部件和結(jié)構(gòu)特征，簡化后的仿真模型如圖3所示，其中支撐金具框架大小為385mm×370mm×170mm（長×寬×高），框架厚度10mm。管母外徑170mm，管母中心距離框架187mm。

圖3  仿真模型

仿真模型中管母及其連接金具的材質(zhì)為鋁合金，支撐金具及絕緣子法蘭的材質(zhì)為Q235，絕緣子本體為硅橡膠材質(zhì)。仿真模型中各材料參數(shù)見表1。

3.2  邊界條件

將建立好的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，選取渦流場求解支撐金具中的渦流損耗，將其作為溫度場計(jì)算的熱源載荷?？紤]空氣自然對流散熱方式，將計(jì)算域設(shè)為開放域，空氣對流換熱系數(shù)為5～25W/(m²·K)，并計(jì)及輻射散熱的影響，進(jìn)行管母支撐金具溫度分布計(jì)算。

表1  仿真模型材料參數(shù)

根據(jù)管母及金具的實(shí)際運(yùn)行工況及安裝環(huán)境，計(jì)算域內(nèi)的具體邊界條件如下：

1）渦流場計(jì)算。各元件材料屬性按照實(shí)物屬性進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置導(dǎo)體的渦流效應(yīng)及趨膚效應(yīng)，電流按照工程實(shí)際運(yùn)行情況施加。

2）溫度場計(jì)算。計(jì)算模型采用自然對流模型；根據(jù)模型的布置設(shè)置重力加速度方向；采用離散坐標(biāo)（discrete ordinates, DO）輻射模型，流態(tài)形式為湍流，初始環(huán)境溫度按照現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境溫度設(shè)置；根據(jù)實(shí)物安裝方式設(shè)置合理的重力加速度。

3.3  計(jì)算結(jié)果

仿真根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)添加激勵(lì)，交流側(cè)管母最大通流容量為4500A，現(xiàn)場環(huán)境溫度為19℃。按照以上邊界條件及輸入變量計(jì)算，支撐金具渦流損耗分布如圖4所示，溫度分布如圖5所示。

圖4  管母支撐金具渦流損耗分布

圖5  管母支撐金具溫度分布

管母支撐金具采用Q235材質(zhì)，進(jìn)行切縫處理，縫隙寬度為10mm，縫隙內(nèi)采用絕緣墊塊支撐。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，縫隙周圍損耗較小，溫度較低，但支撐頂部及與之相連接的絕緣子法蘭損耗較大，局部溫度高達(dá)120℃，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

考慮支撐金具強(qiáng)度，縫隙寬度不宜過大，增加縫隙寬度分別至15mm、20mm，溫度計(jì)算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6  管母支撐金具溫度分布（15mm縫隙）

圖7  管母支撐金具溫度分布（20mm縫隙）

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，支撐金具絕緣間隙為15mm時(shí)，最高溫度約為108℃，絕緣間隙為20mm時(shí)，最高溫度約為102.4℃，與原模型最高溫度120℃相比，溫升有所下降，但遠(yuǎn)達(dá)不到溫升限制要求（即金具表面溫度不超過65℃）。因此，增大金具的絕緣間隙并不能將溫升控制到合理范圍內(nèi)，且絕緣間隙增大時(shí)，支撐強(qiáng)度降低，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

4  渦流損耗影響因素分析及優(yōu)化措施

除絕緣間隙厚度外，金具本體的厚度對損耗也有一定影響，當(dāng)金具本體厚度增大到10mm時(shí)，對損耗的影響基本趨于穩(wěn)定。此外，金具增加絕緣間隙及結(jié)構(gòu)優(yōu)化不易實(shí)現(xiàn)，且由于室內(nèi)安裝空間的限制，支撐與管母的距離難以調(diào)整。本文通過分析電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率對損耗的影響規(guī)律，綜合考慮成本因素，采用導(dǎo)磁性及導(dǎo)電性最優(yōu)組合的材質(zhì)作為支撐金具，將溫升限制到合理范圍內(nèi)。

4.1  損耗影響因素分析

圖8  電導(dǎo)率對損耗的影響規(guī)律

在電導(dǎo)率（采用Q235材質(zhì)的電導(dǎo)率）保持不變的條件下，相對磁導(dǎo)率分別取1、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000計(jì)算管母支撐金具的損耗。相對磁導(dǎo)率對損耗的影響規(guī)律如圖9所示。

圖9  相對磁導(dǎo)率對損耗的影響規(guī)律